引红济石引水隧洞围岩力学特性研究

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了X射线衍射、崩解试验,分析了试样的组成成分、黏土矿物含量对崩解性影响;再通过一系列单轴压缩试验、三轴压缩试验和蠕变试验研究了该类岩石不同应力条件下的变形破坏特征及蠕变特性。试验结果表明,该类岩石含有大量的黏土矿物(33.49%),对水比较敏感,遇水膨胀易崩解,导致岩体软化;试样具有较大塑性压缩变形,其应力-应变曲线为应变强化型,且没有明显的峰值。基于试验研究成果和现场监测数据,对该软岩隧洞大变形机制进行了分析,并提出了在围岩与管片之间安装聚氨酯缓冲层的新型支护方案,通过数值计算对支护方案的合理性进行了验证。分析结果表明:聚氨酯缓冲层可以很好地吸收围岩形变压力,避免应力集中带来的管片错台,从而大大减小管片上破坏区的产生。研究成果对该类岩体中隧洞的设计施工以及长期稳定性分析具有重要的参考作用。     

黏土岩温度-渗流-应力耦合特性试验与本构模型研究进展

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场（T）、渗流场（H）和应力场（M）的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强度、蠕变特性。在此基础上,重点分析了黏土岩水-热迁移模型以及热-力耦合本构模型的适应性。基于上述认识,通过试验研究了比利时Boom clay在温度作用下的强度、渗透性、蠕变性等特征。结果表明：随着温度升高,Boom clay的强度有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率明显加快。提出了适用于Boom clay的THM耦合弹塑性损伤模型,计算结果验证了模型能合理反映温度的影响。最后,探讨了黏土岩THM耦合机理研究的不足和今后的研究方向。     

泥岩核废料处置库温度-渗流-应力耦合参数敏感性分析

针对比利时HADES地下实验室PRACLAY现场加热试验,应用温度-渗流-应力耦合弹塑性模型,模拟现场加热过程中泥岩核废料处置库的水力学响应特征。采用单因素分析法,就泥岩热、水、力学参数对核废料处置库围岩孔压、温度、有效应力的影响进行了三维有限元分析。并基于参数敏感性分析结果,就温度、渗流、应力三场两两耦合作用对处置库围岩水力学响应的影响程度进行了系统分析。研究结果表明：泥岩热、水、力学参数中,渗透系数、弹性模量以及导热系数对加温所导致的超孔压的值影响较大;凝聚力、内摩擦角以及热膨胀系数对孔压的影响较小,但会显著影响围岩的有效应力;导热系数对围岩温度场的分布有决定性影响,温度传递的差异会显著影响围岩的孔压和有效应力;不同的热、水、力学参数对孔压、温度以及有效应力的影响机制是不同的,温度、渗流、应力三场两两耦合作用对围岩水力学响应的影响程度也存在显著的差异性。温度场对应力场、温度场对渗流场的耦合效应十分显著,加热后,围岩超孔压的产生以及热膨胀导致的有效应力变化会显著影响处置库的稳定。该研究结果在一定程度上可以为核废料处置库泥岩的热、水、力学参数的确定及耦合机制分析提供科学依据。     

基于塑性损伤的黏土岩力学特性研究

一系列三轴压缩试验表明,黏土岩的力学特性与其应力状态相关。主要表现为：围压越大,黏土岩试样应力峰值越大,且峰值出现得越晚。这是因为高围压试样内部微裂纹闭合趋势更加明显,从而对于微裂纹的发展具有一定的抑制作用。但在软化过程中应力的跌落程度受围压影响不大,这是因为软化过程中,不同围压作用下试样内部的微裂纹均逐渐贯通,并发展成同类型的剪切面,对试样力学性能的削弱大致相同。在试验研究基础上,以微裂纹作为损伤基元,引入受应力状态影响的损伤演化方程（因微裂纹的发展受应力变化影响）,建立新的本构模型,通过Abaqus及子程序对新模型进行数值实现。模拟结果与试验结果对比表明,该模型可以有效地描述黏土岩的力学特性。研究成果为黏土岩相关地下工程施工提供了更可靠的理论指导。     

泥岩各向异性热-水-力耦合特性——基于ATLAS Ⅲ现场加热试验

比利时放射性核废料地质备选场址Boom clay是一种典型的横观各向同性材料,在Drucker-Prager帽盖模型的基础上,构建了适用于Boom clay的横观各向同性特点的热-水-力耦合弹塑性本构模型,该模型可反映温度对其强度、弹性模量、渗透性等的影响,并在ABAQUS中进行了二次开发。为验证所建立模型的合理性,结合比利时HADES地下实验室ATLAS Ⅲ现场加热试验结果,应用所提出的模型对加热过程中围岩的温度和孔隙水压力的变化规律进行了数值仿真分析。结果表明:所建立的模型能够正确地描述现场加热试验过程中围岩温度场和孔压场所呈现出的各向异性特征,主要表现为热源水平面内测点的孔压在加热功率升高时先略为下降后才升高,在加热功率下降时先略为升高后才下降,而竖直面内测点的孔压在加热功率升高时立即升高,在加热功率下降时立即下降。研究成果表明,考虑各向异性的THM耦合分析能更好地反映加热过程中泥岩温度场和孔压场的实际分布情况,研究结果对类似工程或现场试验的设计、安全运行提供重要的决策依据。     

黏土岩饱和过程中水分运移规律试验研究

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透损伤自修复能力使得围岩的渗透性逐渐恢复接近于原始状态。基于电阻率测试,首先开展了黏土岩试样在不同条件下的饱和过程试验研究,得到了黏土岩试样饱和过程中等效电阻率的变化规律,分析了不同损伤程度试样、盐溶液对等效电阻率的影响,进而揭示黏土岩饱和过程中水分运移规律。试验结果表明：（1）等效电阻率随着含水率增加而逐渐减小,并逐渐趋于一个稳定值;（2）等效电阻率的大小不仅与含水率有关,试样内部裂隙的存在也会影响等效电阻率分布,这一发现为电阻率法可以探测试样中裂隙的存在提供了依据;（3）水流在黏土岩中扩散,内部裂隙成为优先通道,水流在裂隙中的快速扩散加快了黏土岩的饱和速度。同时,随着黏土岩中水分与黏土矿物的水化膨胀反应,内部裂隙有一定程度闭合,加深对裂隙闭合机制认识,通过电阻率测试可以有效地揭示这一过程。     

热−水−力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论：温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

黏土岩水力耦合特性试验研究

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即：载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0～1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。